馬存飛, 董春梅, 王 倩, 孫 鈺, 封 猛,劉振陽, 楊國杰, 于大川, 郭璦銘, 袁 月

(1.中國石油大學(xué)(華東)深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580; 2.中國石油大學(xué)(華東)山東省油藏地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580; 3.中國石油新疆油田勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依 834000; 4.中國石化勝利油田勘探開發(fā)研究院,山東東營 257100; 5.中國石油西部鉆探工程有限公司,新疆克拉瑪依 834000; 6.中國石化勝利油田東辛采油廠,山東東營 257100; 7.贏洲科技(上海)有限公司,上海 201100)

纖維狀方解石脈體通常充填在順層裂縫中,在沉積盆地內(nèi)的富有機(jī)質(zhì)頁巖中廣泛發(fā)育。由于上下兩排纖維狀方解石晶體相對生長,中間發(fā)育中間線,晶體延長方向與裂縫壁面垂直且對稱分布而形似牛排,故國外常用“beef”或“cone-in-cone”來代指充填在順層裂縫中的纖維狀方解石脈體[1]。目前,國內(nèi)外學(xué)者針對纖維狀方解石脈體的研究主要集中在脈體和裂縫表征[2]、順層裂縫成因[3]、脈體成因機(jī)制[4-6],以及對油氣初次運(yùn)移的指示意義等方面[7],其中對于脈體的力學(xué)成因機(jī)制認(rèn)識(shí)存在爭議,但通常認(rèn)為脈體是方解石晶體充填順層裂縫形成的[5],其理論基礎(chǔ)是有效應(yīng)力和莫爾-庫侖準(zhǔn)則的斷裂力學(xué)。因此順層裂縫的成因是揭示纖維狀方解石脈體形成的關(guān)鍵之一。然而,針對東營凹陷沙三下—沙四上亞段富有機(jī)質(zhì)頁巖中順層裂縫內(nèi)充填的纖維狀方解石脈體,國內(nèi)學(xué)者側(cè)重于采用地球化學(xué)方法揭示脈體形成的成巖機(jī)制而較少地探討順層裂縫形成的力學(xué)機(jī)制[4,6,8]。順層裂縫形成的主流觀點(diǎn)是孔隙流體超壓成因,即頁巖在外部構(gòu)造應(yīng)力背景下,孔隙流體壓力通過與巖石骨架相互作用,改變巖石應(yīng)力狀態(tài),達(dá)到巖石骨架破裂極限而形成裂縫,而當(dāng)率先達(dá)到巖石垂向抗張強(qiáng)度或水平抗剪切強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生順層裂縫[3],但該觀點(diǎn)缺少裂縫所處的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)的直接證據(jù)。由于順層裂縫和纖維狀方解石脈體具有共生組合關(guān)系[9],順層裂縫產(chǎn)生所需要的與方解石脈體受到的構(gòu)造應(yīng)力和流體壓力是一致的,其合力最終記錄在方解石晶體的生長過程中而成為殘余應(yīng)力。目前,X射線衍射技術(shù)在材料殘余應(yīng)力測試中應(yīng)用普遍[10],并且正在越來越多地應(yīng)用于晶體的微觀應(yīng)力-應(yīng)變研究中[11-12],這為測試方解石脈體中的殘余應(yīng)力,揭示順層裂縫和纖維狀方解石脈體的耦合成因機(jī)制提供了有力手段。因此,通過測量樣品衍射峰的偏移情況,可以定量計(jì)算殘余應(yīng)力大小。筆者以東營凹陷沙三下—沙四上亞段富有機(jī)質(zhì)頁巖中發(fā)育的纖維狀方解石脈體為研究對象,通過X射線衍射技術(shù)測試脈體中方解石晶體的殘余應(yīng)力,定量計(jì)算脈體受到的現(xiàn)今應(yīng)力大小,獲得脈體所處的現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài),明確脈體中破裂線的力學(xué)成因,并分析孔隙流體壓力對脈體發(fā)育的影響。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況與樣品制備

濟(jì)陽坳陷屬于中國東部渤海灣盆地的一級構(gòu)造單元,位于郯廬斷裂帶以西,埕寧隆起以南,魯西隆起以北,其東西長240 km,南北最寬處約130 km,分布面積達(dá)26 000 km2,是在華北地臺(tái)基礎(chǔ)上發(fā)育的一個(gè)中新生代斷陷-坳陷復(fù)合盆地[13]。濟(jì)陽坳陷內(nèi)部包含東營凹陷、沾化凹陷、惠民凹陷和車鎮(zhèn)凹陷4個(gè)負(fù)向次一級構(gòu)造單元以及孤島凸起、義和莊凸起、陳家莊凸起、無棣凸起、濱縣凸起和墾東青坨子凸起等一系列正向次一級構(gòu)造單元,具有典型的隆凹相間的構(gòu)造格局(圖1(a))。東營凹陷和沾化凹陷古近系沙河街組均形成于斷坳構(gòu)造旋回中[14],且沙四上亞段—沙三下亞段位于二級層序的湖侵體系域或湖泊高水位體系域,均屬于完整的三級層序(圖1(b))。由于盆地持續(xù)下沉,陸源碎屑注入,生物繁盛,沉積了巨厚的湖泊相地層。特別是在斷坳活動(dòng)劇烈的時(shí)期,發(fā)育多套半深湖—深湖、半咸化—咸化、弱堿性—堿性以及強(qiáng)還原環(huán)境下沉積的厚層暗色頁巖。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況及樣品基本特征Fig.1 Geological survey of study area and basic characteristics of samples

纖維狀方解石脈體發(fā)育在富有機(jī)質(zhì)頁巖中,在縱剖面上脈體長幾毫米到幾十厘米,厚度為幾微米到幾厘米,主要呈透鏡狀(圖1(c))。脈體內(nèi)部或脈體之間發(fā)育暗色中間線,在縱剖面上呈直線狀或曲線狀(圖1(c)),其成分主要為泥質(zhì),由脈體破裂或拼接形成,表現(xiàn)為中間線兩側(cè)的方解石晶體呈對稱式或互補(bǔ)式生長。在制備方解石脈體殘余應(yīng)力測試樣品時(shí),用小刀將頁巖中的脈體取出,挑選同一個(gè)脈體的兩個(gè)小塊,一個(gè)用于脈體的縱剖面測試,而另一個(gè)用于脈體的平剖面測試。首先,依次用砂粒徑為0.038、0.076、0.152、0.190和0.238 mm的砂紙進(jìn)行機(jī)械打磨,初步實(shí)現(xiàn)脈體的表面平整,然后用Leica EM TXP儀器進(jìn)行機(jī)械拋光進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)脈體表面平整和整潔,繼而用Gatan 697 Ilion II設(shè)備進(jìn)行氬離子拋光,祛除脈體表面的應(yīng)變層,并采用FEI Quanta 450 FEG環(huán)境掃描電鏡觀察樣品,確保樣品制備合格。

2 纖維狀方解石脈體X射線衍射殘余應(yīng)力測試

2.1 殘余應(yīng)力測試原理

X射線衍射法是利用應(yīng)力作用下多晶體晶面間距的變化來計(jì)算殘余應(yīng)力的。當(dāng)波長為λ的X射線以布拉格角θ入射到方解石脈體內(nèi)的方解石晶體上時(shí),會(huì)被方解石晶面間距為d的平行晶面組內(nèi)的原子散射。根據(jù)波動(dòng)光學(xué)原理,X射線會(huì)在衍射角為2θ的位置上發(fā)生衍射,其中X射線的波長、衍射晶面間距和布拉格角之間滿足布拉格方程[15]。當(dāng)方解石脈體中無殘余應(yīng)力時(shí),方解石的晶面間距沒有變化,發(fā)生布拉格衍射時(shí)與純方解石的衍射峰位一致,衍射角2θ為29.4°[16]。當(dāng)方解石脈體中存在殘余應(yīng)力時(shí),方解石的晶面間距將會(huì)發(fā)生變化,發(fā)生布拉格衍射時(shí),衍射峰位也將隨之移動(dòng),即衍射角2θ會(huì)相應(yīng)改變?chǔ)?θ,并且衍射峰位偏移距離與應(yīng)力相關(guān),滿足胡克定律。因此只要知道方解石脈體表面上某衍射方向上衍射峰位的偏移量Δ2θ,即可根據(jù)布拉格方程的微分形式計(jì)算方解石晶面間距的相對變化量,從而獲得垂直于衍射晶面方向上的應(yīng)變,進(jìn)而根據(jù)胡克定律求得該方向上的應(yīng)力[17]。計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

σ=Eε.

(3)

式中,d為晶面間距;d0為無應(yīng)力狀態(tài)下的晶面間距;θ為布拉格角,又稱為掠射角,是衍射角的一半;θ0為無應(yīng)力狀態(tài)下的布拉格角;Δθ為衍射角變化;ε為材料的應(yīng)變;σ為材料受到的應(yīng)力,壓應(yīng)力為正,拉應(yīng)力為負(fù);E為材料的彈性模量。

2.2 殘余應(yīng)力測試方法

基于布拉格定律和宏觀彈性理論提出的X射線衍射應(yīng)力測定sin2Ψ法,促使殘余應(yīng)力測試的實(shí)際應(yīng)用向前推進(jìn)了一大步[17-19]。計(jì)算公式為

(4)

(5)

σ=KM.

(6)

式中,K為應(yīng)力系數(shù);ν為泊松比;Ψ為衍射晶面方位角;2θ為對應(yīng)于各Ψ角的衍射角;M為2θ對sin2Ψ的變化率,代表晶面間距隨衍射晶面方位角的變化趨勢和急緩程度。

對于同一衍射晶面,用波長為λ的X射線先后數(shù)次以不同的布拉格角(掠射角)入射到樣品表面,測出相應(yīng)的衍射角2θ,求出2θ對sin2Ψ的直線斜率M,再結(jié)合應(yīng)力系數(shù)K便可計(jì)算出應(yīng)力σ(式(4)～(6))。此外,M>0時(shí),衍射角2θ隨sin2Ψ增大而增大,說明晶面間距d隨之減小,指示壓應(yīng)力;M<0時(shí),衍射角2θ隨sin2Ψ增大而減小,說明晶面間距d隨之增大,指示拉應(yīng)力;M=0時(shí),指示無應(yīng)力存在。

按照上述測試方法,依次將制備好的方解石脈體的平剖面和縱剖面放入Rigaku D/MAX2500PC設(shè)備中,采用固定Ψ法進(jìn)行X射線衍射掃描[19]。在測試過程中,將脈體與探測器θ-2θ聯(lián)動(dòng),依次設(shè)置Ψ=0°、15°、30°和45°進(jìn)行測試。當(dāng)Ψ=0時(shí),與常規(guī)使用衍射儀的方法一樣,將探測器放在純方解石的衍射角2θ=29.4°處,然后將樣品與探測器按θ-2θ聯(lián)動(dòng),在2θ=29.4°附近掃描獲得方解石的X射線衍射圖譜。當(dāng)Ψ≠0時(shí),將衍射儀測角臺(tái)的θ-2θ聯(lián)動(dòng)分開,使樣品順時(shí)針轉(zhuǎn)過Ψ角后,而探測器仍處于0,然后聯(lián)上θ-2θ聯(lián)動(dòng)裝置,在2θ=29.4°附近掃描獲得方解石的X射線衍射圖譜。

2.3 殘余應(yīng)力測試結(jié)果

2.3.1 纖維狀方解石脈體的X射線衍射參數(shù)

在獲得不同Ψ角度下方解石脈體的X射線衍射數(shù)據(jù)后,采用Jade 6.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,其具體操作步驟包括Raw格式的X射線衍射數(shù)據(jù)導(dǎo)入、確定峰位、輸入峰位、參數(shù)計(jì)算和結(jié)果保存。經(jīng)過Jade 6.5軟件數(shù)據(jù)處理后,分別獲得不同Ψ角度下方解石脈體平剖面和縱剖面上的X射線衍射參數(shù)(表1)。

表1 不同Ψ角度下方解石脈體平剖面和縱剖面上的X射線衍射參數(shù)Table 1 X-ray diffraction parameters on the plane and longitudinal sections of calcite vein under different Ψ angles

2.3.2 纖維狀方解石脈體的現(xiàn)今有效應(yīng)力

根據(jù)表1,按照式(4)～(6)可以計(jì)算出殘余應(yīng)力。首先將方解石的彈性模量E(7.58×104MPa)、泊松比ν(0.32)和無應(yīng)力狀態(tài)下的布拉格角θ0(14.7°)代入式(4)[20],獲得方解石的應(yīng)力系數(shù)K為-1.094×105MPa。然后,利用方解石脈體平剖面和縱剖面上X射線衍射的Ψ、2θ和d,獲得sin2Ψ和(d-d0)/d0之間的線性相關(guān)關(guān)系(圖2(a)和(b)),進(jìn)而根據(jù)式(5)確定兩者之間的斜率M分別為-1.501×10-4和-5.388×10-4。最后,將應(yīng)力系數(shù)K和斜率M代入式(6),分別獲得方解石脈體平剖面和縱剖面上的殘余應(yīng)力為16和59 MPa。

由于X射線衍射測試是針對方解石晶體骨架的,獲得的應(yīng)力是方解石晶體受到的所有應(yīng)力的綜合結(jié)果,即有效應(yīng)力。因此方解石脈體平剖面上的有效應(yīng)力代表水平有效應(yīng)力,而縱剖面上的有效應(yīng)力代表垂向有效應(yīng)力。根據(jù)殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知,方解石脈體現(xiàn)今是處于三向擠壓的空間應(yīng)力狀態(tài)中,并且垂向有效應(yīng)力約為水平有效應(yīng)力的3.7倍。

圖2 方解石脈體不同剖面上sin2Ψ與(d-d0)/d0的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between sin2Ψ and (d-d0)/d0on different sections of calcite vein

3 纖維狀方解石脈體破裂機(jī)制

3.1 纖維狀方解石脈體中破裂線的成因

方解石脈體內(nèi)部或之間發(fā)育的破裂線目前處于穩(wěn)定狀態(tài),其形態(tài)定型后多數(shù)呈較規(guī)則的曲線狀,這與方解石脈體所處的現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。由于方解石脈體在地層中處于三向擠壓的空間應(yīng)力狀態(tài)中(圖3(a)),故方解石脈體中任意剖面上的現(xiàn)今應(yīng)力分析如圖3(b)所示,并滿足方程組[21,23]

(7)

式中,σ1為最大主應(yīng)力,來自于上覆巖層壓力,方向垂直向下;σ3為最小主應(yīng)力,方向水平;σ2為中間主應(yīng)力,方向水平;σn為任意剖面上的正應(yīng)力;τn為任意剖面上的剪應(yīng)力;α為剖面法線與σ1的夾角;β為剖面法線與σ2的夾角;γ為剖面法線與σ3的夾角。圖3(b)中,δ為σ1與方解石脈體破裂面的夾角,即破裂角。

由于方解石脈體通常發(fā)育在厚層富有機(jī)質(zhì)頁巖地層中,在水平方向上地層性質(zhì)相對穩(wěn)定且受力均衡,可以近似認(rèn)為水平方向上的主應(yīng)力相等且與剖面法線的夾角相等,即滿足如下方程組:

(8)

將方程組(8)代入方程組(7),整理得

(9)

圖3 方解石脈體所處的應(yīng)力狀態(tài)Fig.3 Stress state of calcite vein

根據(jù)方程組(9),任意剖面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力均是剖面法線與σ1的夾角的余弦函數(shù),且當(dāng)cos 4α=-1時(shí),剪應(yīng)力τn取得最大值。根據(jù)最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論,當(dāng)方解石脈體中任意剖面上的最大剪切應(yīng)力達(dá)到其所能承受的極限剪應(yīng)力,而正應(yīng)力小于其所能承受的極限正應(yīng)力時(shí),方解石脈體便發(fā)生剪切破裂,由此獲得方解石脈體的剪切破裂強(qiáng)度判別式,即

(10)

式中,σf為方解石脈體中最大剪應(yīng)力面上的正應(yīng)力;σt為方解石脈體所能承受的極限拉應(yīng)力,一般為單軸抗拉強(qiáng)度;σc為方解石脈體所能承受的極限壓應(yīng)力,一般為單軸抗壓強(qiáng)度;τmax為方解石脈體受到的最大剪應(yīng)力;τm為方解石脈體所能承受的極限剪應(yīng)力,一般為單軸抗拉或單軸抗壓時(shí)的最大剪應(yīng)力。

當(dāng)方解石脈體中的剪應(yīng)力達(dá)到最大時(shí),α=45°或135°、β=γ=60°或120°(圖4(a)),方解石脈體表現(xiàn)為共軛剪切破裂,且破裂角為45°,與實(shí)際薄片測量的破裂角一致(圖4(b)),因此方解石脈體的破裂線表現(xiàn)為折線狀。實(shí)際上,在方解石脈體的薄片制作過程中,大多數(shù)情況下不能正好沿著破裂面的傾向切割,而是斜交破裂面的,因此在薄片中觀察到的方解石脈體破裂角多數(shù)為視夾角,并且大于45°(圖4(c))。

圖4 最大剪應(yīng)力破裂準(zhǔn)則下方解石脈體中理想破裂面的應(yīng)力狀態(tài)及其剖面特征Fig.4 Stress state and section characteristics of the ideal fracture surface in calcite vein under the maximum shear stress fracture criterion

由于方解石脈體內(nèi)部的晶體取向存在差異且含有大量的包裹體,造成方解石脈體內(nèi)部不均一,導(dǎo)致方解石脈體內(nèi)摩擦角并不是一個(gè)固定的常數(shù),因此破裂角是變化的,破裂面常表現(xiàn)為曲面(圖5(a)),而破裂線呈曲線狀(圖5(b)),且方解石脈體的優(yōu)勢破裂方向仍然受方程組(9)控制,破裂角大小仍然受薄片的切片方位影響,如圖5(b)所示。

方程組(9)和(10)只考慮了剪應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)導(dǎo)致方解石脈體發(fā)生破裂,然而實(shí)際上方解石脈體抵抗剪切破壞的能力不僅與作用在剖面上的剪應(yīng)力有關(guān),而且還與作用在該剖面上的正應(yīng)力有關(guān)。當(dāng)方解石脈體發(fā)生剪切破裂時(shí),根據(jù)庫侖剪切破裂準(zhǔn)則,通過應(yīng)力莫爾圓解析可以獲得摩擦系數(shù)和破裂角計(jì)算公式[22-23]。計(jì)算公式為

(11)

(12)

式中,f為摩擦系數(shù);μ為方解石內(nèi)摩擦角;σb為方解石抗張強(qiáng)度。將X射線衍射殘余應(yīng)力測試獲得的最大主應(yīng)力σ1為59 MPa,最小主應(yīng)力σ3為16 MPa和方解石的抗張強(qiáng)度σb為6 MPa代入式(11)[23],計(jì)算得到方解石的內(nèi)摩擦角為34°,這與Gao等[24]測試得到的方解石內(nèi)摩擦角一致。進(jìn)一步根據(jù)式(12)計(jì)算,方解石脈體破裂角δ為28°,β和γ為71°(圖6(a)),這與實(shí)際薄片測量得到的方解石脈體的破裂角為28°是一致的(圖6(b))。

3.2 孔隙流體壓力的影響

富有機(jī)質(zhì)頁巖中通常發(fā)育孔隙流體超壓,盡管能夠抵御一部分外部應(yīng)力作用,但也會(huì)降低巖石骨架的屈服強(qiáng)度。根據(jù)有效應(yīng)力原理,由于主應(yīng)力和孔隙流體壓力的差值為有效應(yīng)力,則方程組(9)和(10)分別變?yōu)?/p>

(13)

(14)

式中,Pf為孔隙流體壓力。通過對比方程組(9)和(13)、(10)和(14)發(fā)現(xiàn),孔隙流體壓力導(dǎo)致任意剖面上的正應(yīng)力減小而剪應(yīng)力不變,這對頁巖巖石骨架或方解石脈體的破裂方式有重要影響。

在地層埋藏較淺時(shí),最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均較小,其任意剖面上的剪切應(yīng)力很小,而孔隙流體超壓甚至可以導(dǎo)致正應(yīng)力為負(fù)值,表現(xiàn)為拉張應(yīng)力。因此巖石骨架更容易發(fā)生張破裂或剪張破裂,特別是頁巖發(fā)育水平層理等力學(xué)薄弱面,這為順層裂縫產(chǎn)生提供了條件,進(jìn)而為方解石脈體的早期沉淀提供了空間。

在地層埋藏較深時(shí),最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之和通常大于孔隙流體壓力,其任意剖面上的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力均較大,但孔隙流體壓力降低了正應(yīng)力。因此對于方解石脈體,根據(jù)庫侖剪切破裂準(zhǔn)則,孔隙流體壓力有利于方解石脈體發(fā)生剪切破裂,這為方解石脈體的晚期調(diào)整提供了動(dòng)力。

4 結(jié) 論

(1)基于布拉格衍射定律和宏觀彈性力學(xué)的X射線衍射殘余應(yīng)力測試技術(shù)在確定纖維狀方解石脈體定型時(shí)的現(xiàn)今有效應(yīng)力取得了較好的效果。采用固定Ψ法進(jìn)行X射線衍射掃描,利用sin2Ψ法計(jì)算得到纖維狀方解石脈體的垂向有效應(yīng)力為59 MPa,水平有效應(yīng)力為16 MPa,方解石脈體現(xiàn)今處于三向擠壓的空間應(yīng)力狀態(tài)中。

(2)基于最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論,方解石脈體表現(xiàn)為共軛剪切破裂,破裂角為45°,破裂線呈折線狀,但受方解石脈體非均質(zhì)影響,多呈曲線狀?；趲靵黾羟衅屏褱?zhǔn)則,利用方解石脈體的殘余應(yīng)力測試結(jié)果計(jì)算的破裂角為28°,這與薄片實(shí)際測量和前人研究結(jié)果一致,但受方解石脈體薄片磨制方向影響,實(shí)際測量的破裂角較理論計(jì)算的大。

(3)孔隙流體壓力導(dǎo)致正應(yīng)力減小而剪應(yīng)力不變,影響頁巖巖石骨架或方解石脈體的破裂方式,其中在地層埋藏較淺時(shí)容易發(fā)生張破裂或剪張破裂,而在地層埋藏較深時(shí)容易發(fā)生剪切破裂。